Las aplicaciones están determinadas de acuerdo a la región espectral:

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Manipulación de la muestra En la fotometría UV-VIS para conseguir que las medidas de absorbancia se encuentren dentro del intervalo óptimo, se ajusta de forma adecuada la concentración, o el espesor de la cubeta. Esta práctica no es aplicable, por lo general, en la espectroscopia IR, debido a que no existen buenos disolventes que sean transparentes en toda la región espectral de interés. Como consecuencia, la manipulación de la muestra generalmente es la parte del análisis espectrométrico en el infrarrojo más difícil y que requiere más tiemp0

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Gases El espectro de un líquido de bajo punto de ebullición o de un gas se puede obtener permitiendo ala muestra que se expanda en una cubeta cilíndrica en la que se ha hecho el vacío, equipada con las ventanas adecuadas. Para este fin se dispone de una variedad de cubetas cilíndricas con caminos ópticos que oscilan entre pocos centímetros y 10 o más metros.

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CELDA DESMONTABLE PARA GASES

Vidrio Pyrex Junta con rosca

Ventana de KBr o NaCl

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Disolventes Es evidente que no existe un solo disolvente que sea transparente en toda la región del infrarrojo.

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Por ejemplo, si es importante observar los estiramientos de C-H, se escogerá de entre los solventes transparentes a esa región (CDCl3, CCl4 o CS2), al que logre la solvatación, si ésta no es posible se usa un dispersante (nujol). Otros líquidos muy utilizados son el CHCl3 y el fluorolube. Los solventes que forman puentes de hidrógeno interfieren las vibraciones fundamentales en mayor medida, mientras mayor sea su capacidad de asociación. Por lo tanto, se debe evitar el uso de disolventes que posean grupos O-H, N-H y S-H.

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El agua y los alcoholes rara vez se utilizan, no sólo porque absorben intensamente, sino también porque atacan a los haluros de metales alcalinos, que son los materiales más habituales utilizados en las ventanas de las cubetas. Por estas razones también es necesario poner cuidado en secar los disolventes antes de usarlos.

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Celdas Debido a la tendencia de los disolventes a absorber, las cubetas para el infrarrojo suelen ser mucho más estrechas (0,1 a 1 mm) que las empleadas en las regiones ultravioleta y visible. Los caminos ópticos en el infrarrojo requieren, por lo común concentraciones de muestra de 0,1 % a 10 %.

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Con frecuencia, las cubetas son desmontables, con espaciadores de Teflón que permiten variar la longitud del camino óptico.

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MATERIALES PARA LAS VENTANAS NaCl

Es transparente de 40000-625 cm-1. Es higroscópico, resiste el estrés mecánico y su costo es bajo.

KBr

Es transparente de 40000-385 cm-1. Es más higroscópico que el NaCl y tiene buena resistencia mecánica a los golpes.

CsI

Es transparente de 33000-200 cm-1. Es muy higroscópico, suave y con facilidad se raya.

CaF2

Es transparente de 50000-1100 cm-1. Es extremadamente duro y estable. No lo afecta significativamente la humedad.

BaF2

Es transparente de 50000-770 cm-1. Relativamente duro, menos resistente al agua que el CaF2. No debe usarse con sales de amonio.

KRS-5 El rango de transmisión del bromo-yoduro de talio es de 16600-250 cm-1. Es muy tóxico y ligeramente soluble en agua. SiO2

El rango de transmisión de la sílice fundida es de 50000-2500 cm-1. Es insoluble en agua y posee buena resistencia mecánica.

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Las ventanas de cloruro de sodio son las más utilizadas y aún teniendo cuidado, finalmente se deslustran debido a la absorción de humedad. Si se limpian con un polvo de pulimentación vuelven a su condición original.

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DETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LA CELDA EN ESPECTROFOTÓMETROS DE RESPUESTA LINEAL AL NÚMERO DE ONDA b (cm) =

n 2

1

1 - 2

n es el número de bandas que se producen en la región comprendida entre 1 y 2, cuando se coloca la celda vacía en el haz de radiación.

1 es número de onda mayor de la región estudiada. 2 es número de onda menor de la región estudiada. Ejemplo: 1 = 1300 cm-1 b=

2 = 1000 cm-1 12 2

1 1300 – 1000 cm-1

n = 12 bandas con la celda vacía. = 0,02 cm

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Líquidos

Cuando la cantidad de muestra es pequeña o cuando no se dispone del disolvente apropiado, es habitual obtener los espectros del líquido puro. En este caso, sólo una película muy delgada tiene un camino óptico lo suficientemente corto como para producir espectros satisfactorios. Por lo común, una gota del líquido puro se presiona entre dos placas de sal gema para obtener una placa con un espesor adecuado.

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Sólidos La mayoría de los compuestos orgánicos presentan numerosos picos de absorción en la región del infrarrojo medio, y encontrar un disolvente que no de lugar a solapamientos de picos es, con frecuencia imposible. Como consecuencia, a menudo, se obtienen los espectros de dispersiones del sólido en una matriz líquida o sólida.

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Pastillas Una de las técnicas más popular de manipulación de las muestras sólidas es la formación de pastillas de KBr (también se han utilizado otros haluros de metales alcalinos). Las sales de haluros tienen la propiedad de flujo en frío por lo cual cuando se presiona suficientemente este material finamente pulverizado presenta propiedades transparentes o translúcidas como el vidrio.

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Se mezclan a fondo un miligramo o menos de la muestra, finamente pulverizada, con aproximadamente 100 mg de polvo de KBr desecado. La mezcla se puede realizar con un mortero y su pistilo, o mejor, en un pequeño molino de bolas. Posteriormente se presiona la mezcla en un troquel especial entre 700 y 1000 kg/cm2 hasta obtener un disco transparente.

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Soporte

Tornillo Empaque Porta pastilla Empaque Tornillo

A cada tornillo de la miniprensa se le coloca un empaque de neopreno, uno de los pernos se atornilla al porta pastilla. En la cavidad formada se deposita la muestra molida y homogeneizada con el KBr, se tapa con el otro tornillo, y con ayuda de dos llaves se produce el prensado inicial. Después de aplicar vacío, se aprieta fuertemente. Una vez transcurrido el tiempo necesario se retiran los dos pernos, se sitúa el porta pastilla sobre el soporte en el haz de radiación del espectrofotómetro.

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PASTILLADORA Y PRENSA HIDRÁULICA

Algunas sustancias pueden descomponerse o cambiar de forma por la acción del calor y la presión generada durante la formación de la pastilla. No obstante, esta técnica permite obtener buenos resultados cualitativos. Es trascendental, que las superficies de los tornillos o de los cilindros donde se forma la pastilla tengan acabado de espejo.

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Suspensiones Cuando las técnicas anteriores no son aplicables, se suelen obtener suspensiones del analito en un aceite mineral o un hidrocarburo fluorado. Las suspensiones se preparan moliendo de 2 a 5 mg de la muestra finamente pulverizada en presencia de una o dos gotas de un aceite hidrocarbonado pesado (Nujol). Si es probable que interfieran las bandas del hidrocarburo, se puede sustituir por Fluorolube, un polímero halogenado. En cualquiera de los casos, la suspensión resultante se examina luego como una delgada película entre placas planas de sal. 20

suspensión. Su uso está indicado para preparar muestras sólidas que no forman películas, o son insolubles en los disolventes usados en IR.

Nujol

Mortero

Fluorolube

Es necesario pulverizar los sólidos en un mortero de alúmina o de ágata, para evitar las reflexiones y las refracciones múltiples en las partículas. Al mezclar el polvo con nujol o fluorolube se obtiene una pasta muy fina. La pasta o emulsión se transfiere a una celda desmontable sin espaciador, se presiona con la suficiente intensidad hasta que el espesor de la emulsión genere bandas que absorban entre el 15 y el 75 % de la radiación IR.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Película. Se usa un par de cristales de la misma especie (NaCl, KBr o CsI) para soportar a la película. Uno de los cristales se coloca horizontalmente y sobre él se deposita usualmente de 2 a 4 mg del analito puro. Se ensaya la disolución dejando caer sobre la alícuota sólida algunas gotas de disolvente. Se deja evaporar el disolvente para determinar si ocurre la formación de la película, y enseguida se elimina cualquier vestigio de solvente. Una vez logrado lo anterior, se cubre la preparación con el otro cristal, y se corre el espectro de absorción de la muestra. Generalmente el primer disolvente con el que se intenta esta técnica es con CHCl3, como segunda opción se prueba con CCl4.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Película. Si la muestra es de naturaleza líquida, gelatinosa u oleosa, se puede obtener la película al presionar entre los dos cristales una pequeña alícuota de ella. Algunos polímeros poseen partículas grandes y no se solubilizan en los disolventes usados en la espectroscopia infrarroja. En tal caso, si la muestra es térmicamente estable, una buena opción puede ser intentar formar la película por tratamiento térmico. Por ejemplo, sobre un cristal de NaCl que está colocado horizontalmente se deposita una alícuota de polietileno, encima se sitúa una plancha y en forma gradual se incrementa la temperatura hasta ablandar el polímero, entonces se cubre con el otro cristal, y se presiona suavemente hasta alcanzar el espesor deseado en la película.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Pastilla. Es muy importante que el KBr grado espectroscópico que se usa como excipiente para la formación de la pastilla esté totalmente seco. Para tal efecto, en un cristalizador de gran superficie se coloca una capa delgada de la sal, y se calienta en una estufa a 150C, hasta la eliminación de cualquier vestigio de humedad, usualmente tres días. Para confirmar la deshidratación total, se prepara una pastilla con el KBr supuestamente seco, es determinante verificar la ausencia de vibraciones de O-H en su espectro infrarrojo. Para garantizar la ausencia de humedad en el KBr, es necesario mantenerlo en la estufa a 150C. Molienda y homogeneización. Este proceso puede realizarse en una pequeña cápsula de acero inoxidable o de baquelita. La cápsula seca se destapa junto a la estufa donde se mantiene el KBr a sequedad. Con la punta mayor de una microespátula seca, se transfieren aproximadamente 100 mg de KBr, con la punta menor de la microespátula se trasladan de 2 a 4 mg de la muestra seca, se coloca una munición de baquelita o de acero inoxidable, se tapa rápidamente la cápsula y se agita dos o tres minutos en un homogeneizador pequeño.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Pastilla Un amalgamador como el que emplean los dentistas funciona muy bien como homogeneizador. Los espectros corridos con pastillas o emulsiones muestran mejor resolución, cuando se emplean muestras sólidas que poseen diámetros de partículas pequeños y homogéneos. Formación de la pastilla. La muestra sólida homogeneizada con el KBr, se deposita en la pastilladora, con el fin de comprimirla durante 5 minutos a una presión de 5000 Kg/cm2. En tales condiciones el KBr se vuelve muy plástico, y fluye hasta formar un disco claro y transparente en la región de 4000 a 400 cm-1. Así las absorciones de la radiación infrarroja sólo pueden atribuirse a los grupos funcionales de la muestra, y no al excipiente de la pastilla.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Emulsión

Durante la molienda pueden ocurrir degradación y/o cambio polimórfico en la muestra. La emulsión es impropia para observar los estiramientos. Sólo cuando se trabaja con una solución es posible realizar compensación por disolvente. Por lo tanto, cuando se obtienen espectros con emulsiones es improcedente la compensación. Esta técnica produce resultados rápidos y convenientes para el análisis cualitativo, pero es difícil lograr la cuantitatividad.

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PREPARACIÓN DE MUESTRAS PARA EL ANÁLISIS CON RADIACIÓN TRANSMITIDA Soluciones. Si la muestra es soluble en cloroformo, la solución puede prepararse con CDCl3, así es posible observar las vibraciones de C-H. El CCl4 es transparente en la región de 4000-900 cm-1, en tanto que el CS2 no absorbe entre 1300 y 625 cm-1. Si el es espectrofotómetro es de doble haz, en el haz de referencia se puede colocar otra celda similar a la de la muestra, que contenga únicamente al disolvente empleado en la preparación de la solución de la muestra, con el objetivo de compensar la absorción del disolvente. La compensación del disolvente origina respuestas poco sensibles, e incluso en algunos casos la sensibilidad puede ser prácticamente nula. Los disolventes próticos, que forman puentes de hidrógeno, interfieren las vibraciones fundamentales en mayor medida, mientras más capacidad de asociación posean.

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CALIBRACIÓN DEL NÚMERO DE ONDA Las delgadas absorciones producidas por una lámina de poliestireno, son adecuadas para verificar si los números de onda, que se muestran en las gráficas generadas en los espectrofotómetros dispersivos, guardan buena relación con la radiación absorbida. Generalmente se emplea el pico de 1601 cm-1, pero pueden usarse 2850 ó 906 cm-1. Si se trabaja con un instrumento dispersivo, es recomendable marcar el pico de 1601 cm-1 sobre el espectro de cualquier espécimen que se analice.

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ANALISIS CUALITATIVO La identificación de un compuesto orgánico a partir de un espectro de este tipo es un proceso que consta de dos etapas: 1. la determinación de los grupos funcionales que parece más probable que estén presentes, examinando la región de frecuencias de grupo, que abarca la radiación comprendida desde 3600 cm-1 a 1200 cm-1

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2. comparación detallada del espectro del compuesto desconocido con los espectros de compuestos puros que contienen todos los grupos funcionales encontrados. En este caso es particularmente útil la región de la huella dactilar, comprendida entre 1200 cm-1 y 600 cm-1

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Frecuencias de grupo

La posición de un banda correspondiente depende del grupos funcional, sin embargos existirán variaciones debido a las interacciones con el resto de la molécula.

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Colecciones de espectros Las tablas de correlación pocas veces son suficiente para la identificación positiva de un compuesto orgánico a partir de su espectro infrarrojo. Sin embargo, existen diversos catálogos de espectros de infrarrojo que ayudan en la identificación cualitativa permitiendo la comparación de los espectros con los de un gran número de compuestos puros.

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ANÁLISIS CUANTITATIVO Con la radiación infrarroja, debido a que las bandas de absorción son relativamente estrechas, las desviaciones instrumentales de la ley de Beer son más comunes que con la radiación ultravioleta y visible. Además los equipos usan anchos de banda a menudo del mismo orden picos de absorción. Lo anterior conduce por lo general a una relación no lineal entre la absorbancia y la concentración. Por consiguiente, para el trabajo cuantitativo se requieren curvas de calibración determinadas empíricamente. U.A.D.Y.

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Medición de la absorbancia Las cubetas poco reproducibles y los solventes que absorben usados en IR hacen que no se use un blanco como en las otras técnicas fotométricas, en contraste se usa como referencia un haz que atraviesa sin obstáculos. Para el trabajo cuantitativo, es necesario corregir los efectos de la radiación dispersada y absorbida por el disolvente y la cubeta. Se utilizan dos métodos.

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 Método “cubeta dentro/cubeta fuera” Se obtienen sucesivamente los espectros del disolvente puro y de la disolución del analito con respecto al haz de referencia sin obstáculos, utilizando la misma cubeta para ambas disoluciones. Se determina, entonces, la transmitancia de cada disolución respecto a la del haz de referencia, en un máximo de absorción del analito. Estas transmitancias se pueden escribir como:

P0 T0  PR

PM TM  PR

Donde: PR: potencia del haz sin obstáculos To y TM: transmitancias del disolvente y de la disolución 35

Si PR, permanece constante durante las dos medidas, entonces puede obtenerse la transmitancia de la muestra frente al disolvente dividiendo ambas ecuaciones. Es decir,

TM PM T  T0 P0

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 Método “de la línea base”

Se supone que la transmitancia del disolvente es constante, o al menos cambia linealmente entre los puntos de mínima absorción que limitan al pico de absorción.

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Aplicaciones específicas Casi todas las especies moleculares orgánicas e inorgánicasabsorben en la región del infrarrojo; de esta forma, la espectro fotometría en el infrarrojo ofrece la posibilidad de determinar un número extraordinariamente grande de sustancias. Esta especificidad ha encontrado una particular aplicación en el análisis de mezclas de compuestos orgánicos estrechamente relacionados.

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Análisis de una mezcla de hidrocarburos aromáticos Aquí se considera la resolución de los isómeros C8H10, en una mezcla que incluye o-xileno, m-xileno, p-xileno y etilbenceno. A continuación se muestras los espectros individuales tomados en ciclohexano como solvente.

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Espectros en ciclohexano

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la absorbancia de una mezcla a cualquiera de estas longitudes de onda no se debe sólo a la concentración de un único componente, como consecuencia del solapamiento de las bandas de absorción. Por ello, es necesario determinar las absortividades molares de cada uno de los compuestos en las cuatro longitudes de onda.

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Las absorbancias de las mezclas se leen a cada longitud de onda experimentalmente. Las absortividades específicas de cada componente a cada longitud de onda se pueden obtener a partir de las soluciones estandar individuales. Se resuelve el sistema de ecuaciones lineales.

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